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折臂式高空作业车风振疲劳损伤破坏机理研究

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1 绪 论

1.1 研究背景及意义(Issue Presentation and Research Significance)

1.2 国内外研究现状(Research Development at Home and Abroad)

1.3 研究内容与研究方法(Research Contents and Approach)

1.4 主要创新点(Main Innovation Points)

2 高空作业车的风载特性

2.1 高空作业车组成结构(Structure of Aerial Platforms)

2.2 风载特性的表征方法(The Characterization Methods of the Wind Load Characteristic)

2.3 脉动风的概率统计特征(Probability and Statistics Characteristics of the Fluctuating Wind)

2.4 折臂式高空作业车的风载荷特性 (Numerical Simulation of Wind Load Characteristics for Folding-Jib Aerial Platforms)

2.5 本章小结(Summary)

3 高空作业车的动力特性

3.1 结构模态分析理论(Theory of Modal Analysis)

3.2 折臂式高空作业车的动力特性(Dynamic Characteristics of Aerial Platforms)

3.3 高空作业车的振型参与系数(The Modal Participation Factor of Aerial Platforms)

3.4 本章小结(Summary)

4 高空作业车的风振响应

4.1 脉动风速数值模拟(Numerical Simulation of Fluctuating Wind)

4.2 折臂式高空作业车风振响应的时域特性(Time Domain Characteristic of Wind-Induced Response for Folding-Jib Aerial Platform)

4.3 折臂式高空作业车风振响应的频域特性(Frequency Domain Characteristic of Wind-Induced Response for Aerial Platform)

4.4 本章小结(Summary)

5 考虑风与结构耦合作用的高空作业车风振响应

5.1 风与高空作业车的流固耦合效应(Fluid-Structure Interaction with Wind and Aerial Platform)

5.2 考虑耦合作用时结构动力学方程(Dynamic Equation with Wind and Structure Interaction)

5.3 风与高空作业车耦合作用时的风振响应( Wind-Induced Response with Wind and Aerial Platform Interaction)

5.4 高空作业车的等效风荷载(Equivalent Static force of Aerial Platform)

5.5 本章小结(Summary)

6 折臂式高空作业车风振响应的实测研究

6.1 测试设备与方案(Test Equipment and Program)

6.2 高空作业车风致振动响应测试(Field Measurement of Wind-Induced Response for Aerial Platform)

6.3 高空作业车实测结果时域分析(Time Domain Analysis of Measurement Results for Aerial Platform)

6.4 高空作业车实测结果频域分析(Frequency Domain Analysis of Measurement Results for Aerial Platform)

6.5 本章小结(Summary)

7 高空作业车的风振疲劳损伤及动力可靠性

7.1 高空作业车的风振可靠性(Wind-Induced Reliability of Aerial Platform)

7.2 疲劳的基本概念(The Concept of Fatigue)

7.3 疲劳累积损伤理论(Theory of Fatigue Accumulative Damage )

7.4 时域内疲劳累积损伤分析(Fatigue Accumulative Damage in Time Domain)

7.5 频域内疲劳累积损伤分析(Fatigue Accumulative Damage in Frequency Domain)

7.6 高空作业车的风振疲劳可靠性(Wind-Induced Fatigue Reliability of Aerial Platform)

7.7 本章小结(Summary)

8 结论与展望

8.1 主要结论(Main Conclusions)

8.2 研究展望(Research Prospects)

参考文献

作者简历

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摘要

高空作业车是运送人员和器材到达指定作业高度,进行特种作业的专用车辆,广泛应用在船舶、建筑、市政建设、消防等各行业。随着作业高度的增加,作业臂长细比越来越大,对风荷载越发敏感,风荷载也成为控制结构设计的主要荷载。目前,对于该类结构的风荷载模型、风致振动特性以及风振作用下的损伤评估仍然存在着一些亟待解决的问题。本文综合应用理论分析、数值模拟和实验测试等方法,对GKZ型折臂式高空作业车的风振疲劳损伤破坏机理及动力可靠性进行了系统的研究,取得如下成果:
  (1)针对GKZ型折臂式高空作业车的结构及工况特征,基于湍流风场建立了高空作业车风振响应的风荷载模型,模拟得到了随机脉动风载作用下作业车结构表面的风压分布规律、流场的分布特征、风振系数和风载体型系数的变化特征;给出了适用于高空作业车抗风设计的等效静力风荷载及风荷载体型系数。
  (2)分析了折臂式高空作业车的动力特性,研究了随机脉动风载荷作用下折臂式高空作业车的时域与频域风振响应规律。得到了在最大作业高度和最大作业幅度两种极端工况下,高空作业车位移、加速度响应的的变化规律。
  (3)建立了考虑风与结构耦合效应的折臂式高空作业车流固耦合模型,并给出了作业车响应的时域和频域解,得到了风与结构耦合作用对高空作业车风振响应特性的影响规律。分析表明:作业车最大作业幅度工况顺风向位移响应比最大作业高度工况时大;且随风速的增大,风与结构耦合效应对作业车的影响更趋明显。
  (4)设计了风荷载作用下折臂式高空作业车动力响应的现场测试系统,测定了折臂式高空作业车在随机风载荷作用下的时域和频域特性,实测结果与数值模拟结果具有较好的印证性。
  (5)提出了基于结构强度及变形位移响应首次超越量的动力可靠性判别方法,建立了考虑平均风速和风向随机分布特征的折臂式高空作业车动力可靠性模型,分析揭示了折臂式高空作业车的疲劳累积损伤破坏的机制,并预测了其风振疲劳寿命及可靠性。

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